Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình công cộng và văn phòng làm việc tại khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam, việc duy trì môi trường vi khí hậu ổn định đóng vai trò quyết định đến sức khỏe, sự tiện nghi và hiệu suất làm việc của con người. Nhiệt độ và độ ẩm cao kéo dài trong năm đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật điều hòa không khí phải vừa đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh, vừa tối ưu hóa hiệu quả vận hành cơ điện.

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống điều hoà không khí" do sinh viên Phạm Thanh Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Hữu Phùng tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (hoàn thành tháng 04/2021) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình văn phòng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Khảo sát đặc điểm kiến trúc, kết cấu công trình và điều kiện khí tượng tại địa điểm xây dựng để xác định thông số vi khí hậu tính toán.
  2. Tính toán cân bằng nhiệt ẩm và xác định phụ tải lạnh chi tiết cho từng không gian chức năng theo phương pháp Carrier.
  3. Xây dựng và tính toán sơ đồ xử lý nhiệt ẩm không khí (sơ đồ tuần hoàn một cấp).
  4. Phân tích, so sánh các giải pháp kỹ thuật để lựa chọn hệ thống điều hòa không khí phù hợp; tính chọn thiết bị trung tâm và thiết bị đầu cuối (Chiller, AHU, FCU, tháp giải nhiệt).
  5. Tính toán thiết kế khí động mạng lưới đường ống gió (kích thước ống, miệng gió, tổn thất áp suất, chọn quạt).
  6. Tính toán thiết kế thủy lực hệ thống đường ống nước lạnh và nước giải nhiệt (đường kính ống, bình dãn nở, tổn thất cột áp).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng nước lạnh cho công trình văn phòng.
  • Phạm vi không gian: Công trình văn phòng nằm trong khuôn viên khu đất rộng 7 ha tại tỉnh Đồng Tháp. Tổng thể không gian điều hòa có kích thước $88\text{ m (dài)} \times 80\text{ m (rộng)} \times 2,8\text{ m (cao)}$, chiều cao tầng sàn là $4\text{ m}$.
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu khí hậu: Tính toán cho chế độ làm việc mùa hè theo dữ liệu khí hậu của khu vực Cần Thơ / Đồng Tháp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật, khung lý thuyết nhiệt động lực học và các công cụ phần mềm chuyên ngành:

  • Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng:

    • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 về Thông gió - Điều hòa không khí - Tiêu chuẩn thiết kế.
    • Tiêu chuẩn ASHRAE Fundamentals (Chapter 48: Noise and Vibration Control) về tiêu chuẩn độ ồn trong công trình.
    • Giáo trình Thiết kế hệ thống ĐHKK của PGS. TS. Nguyễn Đức Lợi.

  • Phương pháp tính toán tải nhiệt:

    • Ứng dụng phương pháp Carrier để tính toán các thành phần nhiệt thừa và ẩm thừa, bao gồm: nhiệt bức xạ mặt trời qua kính ($Q_{11}$), nhiệt truyền qua kết cấu bao che như mái ($Q_{21}$), tường bao, cửa kính, cửa gỗ ($Q_{22}$), nhiệt truyền qua nền ($Q_{23}$), nhiệt tỏa từ hệ thống chiếu sáng ($Q_{31}$), nhiệt hiện tỏa từ máy móc văn phòng ($Q_{32}$), nhiệt hiện và nhiệt ẩn do người tỏa ra ($Q_4$), nhiệt do gió tươi mang vào ($Q_{hN}, Q_{âN}$) và nhiệt do gió rò lọt ($Q_{5h}, Q_{5â}$).

  • Phương pháp tính toán khí động và thủy lực:

    • Mạng đường ống gió: Sử dụng phương pháp ma sát đồng đều (Equal Friction) với độ giảm áp suất ma sát lựa chọn trong khoảng $0,8 - 1,0\text{ Pa/m}$, kết hợp phần mềm chuyên dụng Ductchecker và phần mềm chọn quạt Fantech.
    • Mạng đường ống nước: Phương pháp vận tốc kinh tế kết hợp phần mềm Pipe Flow Wizard để xác định tổn thất áp suất và đường kính ống thép đen theo tiêu chuẩn Schedule 40.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình điều hòa không khí trung tâm làm lạnh bằng nước gián tiếp (Water Cooled Chiller), kết hợp hệ thống phân phối khí cục bộ và trung tâm:

  • Kiến trúc phân phối không khí và nước:

    • Khu vực diện tích lớn (4 phòng làm việc, mỗi phòng $1087,5\text{ m}^2$): Sử dụng 4 buồng xử lý không khí đặt sàn AHU (Air Handling Unit) công suất lớn kết hợp hệ thống đường ống gió tole mạ kẽm và miệng thổi khuếch tán.
    • Khu vực phòng chức năng nhỏ: Sử dụng các dàn lạnh FCU (Fan Coil Unit) gắn trần kết hợp mạng lưới ống gió mềm và ống gió cứng ngắn.
    • Hệ thống phân phối nước lạnh: Sử dụng hệ thống 2 đường ống (2-pipe system), bố trí đường ống bypass Chiller (DN80) để đảm bảo lưu lượng tối thiểu khi Chiller giảm tải xuống mức 25%.

  • Thiết bị chính lựa chọn:

    • Cụm máy làm lạnh nước Water Cooled Chiller Daikin máy nén trục vít, sử dụng môi chất lạnh thân thiện môi trường R134a/R143a.
    • Tháp giải nhiệt hở dòng LBC của Liang Chi giải nhiệt cho bình ngưng.
    • Miệng gió cấp và miệng gió hồi dạng khuếch tán vuông hãng ADF kích thước mặt $600 \times 600\text{ mm}$, cổ $450 \times 450\text{ mm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về điều hòa không khí và công trình

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển của kỹ thuật điều hòa không khí từ các giải pháp làm mát sơ khai thời cổ đại (Ai Cập, Trung Quốc), các thí nghiệm nhiệt động của Benjamin Franklin, Michael Faraday, cỗ máy nén khí tạo băng của James Harrison (1851), cho đến phát minh máy điều hòa hiện đại đầu tiên của Willis Carrier năm 1902 và các mốc cải tiến môi chất làm lạnh (sự ra đời của Freon năm 1928, Nghị định thư Montreal 1987).

Về mặt công trình, tác giả tổng hợp số liệu diện tích và kết cấu xây dựng của tòa nhà văn phòng tại Đồng Tháp:

Tên không gian chức năng Diện tích ($m^2$) Số lượng / Ghi chú
Phòng làm việc 1, 2, 3, 4 1087,5 4 phòng
Phòng giao dịch 287,5 1 phòng
Phòng họp 1 & Phòng họp 2 143,7 / phòng 2 phòng
Phòng tư vấn 1 & Phòng tư vấn 2 143,7 & 181,2 2 phòng
Phòng trưng bày 181,25 1 phòng
Phòng căng tin 181,2 1 phòng
Phòng giám đốc & Phó giám đốc 1, 2 37,5 / phòng 3 phòng
Phòng bảo vệ 37,5 1 phòng
  • Kết cấu bao che: Tường gạch rỗng $200\text{ mm}$ trát vữa xi măng 2 mặt ($15\text{ mm}$) và sơn Sumo ($5\text{ mm}$); mái bê tông dày $300\text{ mm}$, vữa trát $25\text{ mm}$, lớp bitum và trần thạch cao $12\text{ mm}$ (hệ số truyền nhiệt mùa hè $k = 1,67\text{ W/m}^2\text{K}$).
  • Thông số vi khí hậu:
    • Trong nhà (Mùa hè, lao động nhẹ): $t = 23 - 26^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi = 60 - 70%$, vận tốc gió $v = 0,8 - 1,0\text{ m/s}$; tiêu chuẩn gió tươi $25\text{ m}^3/\text{h/người}$.
    • Ngoài trời (Cần Thơ - Cấp II, $K_{bđ} = 0,983, m = 150\text{ h/năm}$): $t = 34,4^\circ\text{C}$, $\varphi = 58,7%$, entanpi $I = 86,56\text{ kJ/kg}$, nhiệt độ nhiệt kế ướt $t_u = 27,3^\circ\text{C}$, áp suất khí quyển $P_{kq} = 1008,2\text{ mbar}$.

Chương 2. Cân bằng nhiệt ẩm bằng phương pháp Carrier

Chương 2 trình bày chi tiết các công thức xác định từng thành phần tổn thất nhiệt và phụ tải lạnh thừa. Các tính toán bức xạ kính $Q_{11}$ được xác định theo tọa độ địa lý của Đồng Tháp ($10^\circ 07' - 10^\circ 58'$ vĩ độ Bắc), loại kính trong có hệ số xuyên qua 0,86 kết hợp rèm mành màu sáng ($r = 0,56$).

Sau khi tính toán cho từng phòng, kết quả tổng hợp phụ tải nhiệt hiện và nhiệt toàn phần làm cơ sở để xác định hệ số nhiệt hiện phòng và năng suất lạnh yêu cầu:

  • Năng suất lạnh yêu cầu phòng làm việc 1: $171,141\text{ kW}$.
  • Năng suất lạnh yêu cầu phòng làm việc 2: $171,930\text{ kW}$.
  • Năng suất lạnh yêu cầu phòng làm việc 3: $171,141\text{ kW}$.
  • Năng suất lạnh yêu cầu phòng làm việc 4: $171,930\text{ kW}$.
  • Các phòng chức năng nhỏ có tải lạnh dao động từ $6,045\text{ kW}$ (Phòng bảo vệ, Phó giám đốc) đến $42,991\text{ kW}$ (Phòng giao dịch).

Chương 3. Sơ đồ điều hòa không khí

Tác giả thiết lập sơ đồ xử lý không khí tuần hoàn một cấp. Dựa trên các điểm trạng thái không khí ngoài trời ($N$), không khí trong phòng ($T$), điểm hòa trộn ($H$), điểm xử lý qua dàn lạnh ($V$) và điểm đọng sương của thiết bị ($S$), chương này xác định các đại lượng nhiệt động:

  • Hệ số nhiệt hiện:
    • Hệ số nhiệt hiện phòng ($RSHF = \varepsilon_{hf}$): dao động từ 0,782 (Phòng căng tin) đến 0,950 (Phòng giám đốc).
    • Hệ số nhiệt hiện tổng ($GSHF$) và hiệu dụng ($ESHF = \varepsilon_{hef}$).
  • Nhiệt độ đọng sương thiết bị ($t_S$): Dao động trong khoảng $15,0 - 15,9^\circ\text{C}$.
  • Lưu lượng không khí tổng ($L$), gió tươi ($L_N$) và gió hồi ($L_T$):
    • Phòng làm việc 1, 3: $L = 11.603\text{ l/s}$, $L_N = 1.020\text{ l/s}$, $L_T = 10.583\text{ l/s}$.
    • Phòng làm việc 2, 4: $L = 11.690\text{ l/s}$, $L_N = 1.020\text{ l/s}$, $L_T = 10.670\text{ l/s}$.
    • Phòng giao dịch: $L = 2.873\text{ l/s}$, $L_N = 250\text{ l/s}$, $L_T = 2.624\text{ l/s}$.

Chương 4. Tính chọn máy và thiết bị của hệ thống điều hòa không khí

Chương này so sánh ưu nhược điểm giữa 3 phương án: Hệ thống Chiller giải nhiệt nước, hệ thống biến tần VRV/VRF và máy điều hòa cục bộ. Tác giả chọn hệ thống Water Cooled Chiller do đặc thù công trình văn phòng làm việc tập trung vào giờ hành chính, hệ số đồng thời cao, mặt bằng rộng.

Do điều kiện làm việc thực tế khác với điều kiện danh định trong catalog thương mại ($t_{vào} = 27^\circ\text{C}$ so với thiết kế $23^\circ\text{C}$), tác giả tiến hành hiệu chỉnh năng suất lạnh:

  • AHU: Hệ số hiệu chỉnh $\alpha_1 = 0,8; \alpha_2 = 1$. Chọn 4 cụm AHU Daikin Model DDM-1823 ($Q_{oTT} = 232,5\text{ kW}$, lưu lượng gió $11.473\text{ l/s}$).
  • FCU: Chọn các model Trane/Carrier dòng 42DC và 42CED (ví dụ: 42DC-018, 42DC-020, 42CED-012).
  • Chiller: Chọn tổ hợp 3 cụm Water Cooled Chiller Daikin máy nén trục vít, môi chất R134a/R143a:
    • 02 cụm model 30HXC-130 (công suất lạnh $450\text{ kW}$/máy, công suất điện $88\text{ kW}$, lưu lượng nước lạnh $8,3 - 33,4\text{ l/s}$, lưu lượng nước ngưng $3,1 - 37,1\text{ l/s}$).
    • 01 cụm model 30HXC-080 dự phòng (công suất lạnh $287\text{ kW}$, công suất điện $59\text{ kW}$).
  • Tháp giải nhiệt: Chọn 3 tháp dòng Liang Chi giải nhiệt nước với độ chênh $5\text{ K}$, $t_u = 27^\circ\text{C}$ gồm: 01 tháp model LBC 175 ($25,1\text{ l/s}$) và 02 tháp model LBC 200 ($28,6\text{ l/s}$).

Chương 5. Tính toán đường ống gió

Tác giả áp dụng phương pháp ma sát đồng đều ($0,8 - 1,0\text{ Pa/m}$) và phần mềm Ductchecker:

  • Miệng gió: Chọn miệng vuông khuếch tán ADF (mặt $600 \times 600\text{ mm}$, cổ $450 \times 450\text{ mm}$). Số lượng cửa cấp cho mỗi phòng làm việc là 36 cửa (lưu lượng $319\text{ l/s}$/cửa), cửa hồi là 29 cửa ($360\text{ l/s}$/cửa).
  • Mạng ống gió AHU phòng làm việc: Kích thước ống chính cấp từ $1300 \times 900\text{ mm}$ giảm dần về $400 \times 350\text{ mm}$; ống nhánh mềm D350.
  • Kiểm tra trở lực tuyến ống AHU:
    • Tổn thất áp suất đường ống cấp: $150,13\text{ Pa}$.
    • Tổn thất áp suất đường ống hồi: $139,41\text{ Pa}$.
    • Tổn thất áp suất đường ống gió tươi: $51,78\text{ Pa}$.
    • Tổng trở lực: $P = 150,13 + 139,41 + 51,78 = 341,32\text{ Pa} \le 350\text{ Pa}$ (cột áp danh định của quạt AHU Daikin DDM-1823, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật).
  • Gió tươi FCU: Chọn quạt cấp gió tươi hướng 12h và 18h qua phần mềm Fantech với trở lực lần lượt là $88,44\text{ Pa}$ và $64,24\text{ Pa}$.

Chương 6. Tính toán thiết kế hệ thống đường ống nước

Chương 6 triển khai mạng đường ống nước lạnh và nước giải nhiệt bằng ống thép đen Hòa Phát:

  • Tốc độ nước thiết kế: Ống nhánh $v = 1,5\text{ m/s}$, trục chính $v = 1,8 - 2,0\text{ m/s}$, đầu đẩy bơm $v = 3,0\text{ m/s}$, ống góp $v = 2,0 - 2,5\text{ m/s}$.
  • Đường kính danh định: Các nhánh FCU từ DN20 đến DN80; ống nhánh AHU từ DN100 đến DN200; trục chính nước lạnh DN250; trục chính tháp giải nhiệt DN250.
  • Đường ống bypass Chiller: Tính chọn ống kích thước DN80 tương ứng với lưu lượng $8,25\text{ l/s}$ khi Chiller giảm tải $25%$.
  • Bình dãn nở: Tính toán thể tích nước toàn hệ thống ($V_n$) gồm thể tích đường ống và dàn trao đổi nhiệt, từ đó chọn dung tích bình dãn nở nhiệt đảm bảo bù giãn nở thể tích nước trong quá trình vận hành.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã xây dựng một bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống điều hòa không khí tòa nhà văn phòng quy mô lớn:

Hạng mục thiết bị Thông số / Model lựa chọn Số lượng Nhà sản xuất
Máy làm lạnh nước (Chiller chính) Model 30HXC-130 (Công suất lạnh $450\text{ kW}$) 02 cụm Daikin / Carrier
Máy làm lạnh nước (Chiller dự phòng) Model 30HXC-080 (Công suất lạnh $287\text{ kW}$) 01 cụm Daikin / Carrier
Buồng xử lý không khí (AHU) Model DDM-1823 ($Q_0 = 232,5\text{ kW}$, $L = 11.473\text{ l/s}$) 04 bộ Daikin
Dàn lạnh FCU Dòng 42DC & 42CED (Công suất từ $7,6\text{ kW}$ đến $19,4\text{ kW}$) Phù hợp từng phòng Trane / Carrier
Tháp giải nhiệt LBC 175 ($25,1\text{ l/s}$) & LBC 200 ($28,6\text{ l/s}$) 01 LBC 175, 02 LBC 200 Liang Chi
Miệng gió cấp/hồi Miệng khuếch tán vuông cổ $450 \times 450\text{ mm}$ Đồng bộ hệ thống ADF
  • Kết quả kỹ thuật:
    • Tính toán chi tiết các thành phần nhiệt theo phương pháp Carrier, phản ánh đúng tải nhiệt bức xạ và tải nhiệt nội bộ văn phòng.
    • Hiệu chỉnh chính xác năng suất lạnh của AHU và FCU từ điều kiện thực tế về điều kiện danh định của nhà sản xuất.
    • Cân bằng khí động mạng lưới ống gió với tổng tổn thất $341,32\text{ Pa}$, ăn khớp với cột áp danh định $350\text{ Pa}$ của quạt AHU.
  • Đóng góp: Đồ án thiết lập quy trình tính toán kỹ thuật mạch lạc, tích hợp giữa lý thuyết truyền nhiệt - thông gió với việc tra cứu catalog thương mại và ứng dụng phần mềm kỹ thuật (Ductchecker, Pipe Flow Wizard, Fantech).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Số liệu khí hậu sử dụng trạm quan trắc Cần Thơ để tính toán cho Đồng Tháp do tính tương đồng địa lý, chưa có chuỗi số liệu vi khí hậu cục bộ chuyên biệt tại khu đất 7 ha.
    • Hệ thống 2 đường ống có nhược điểm về phân phối áp suất không đều giữa các dàn gần và xa bơm, đòi hỏi phải lắp đặt và cân chỉnh van cân bằng chi tiết trên công trường.
  • Hướng phát triển:
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động BMS/DDC để kiểm soát tối ưu lưu lượng biến đổi theo tải thực tế (VAV cho gió, biến tần VFD cho cụm bơm và Chiller).
    • Khảo sát mô phỏng động năng lượng công trình theo chu kỳ cả năm để đánh giá chính xác chỉ số hiệu quả năng lượng COP/IPLV.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành: Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa Không khí, Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Công trình xây dựng làm tài liệu tham khảo để thực hiện đồ án môn học và khóa luận tốt nghiệp.
  • Kỹ sư cơ điện (MEP): Tham khảo quy trình hiệu chỉnh năng suất lạnh thiết bị đầu cuối theo nhiệt độ làm việc, phương pháp tính toán ma sát đồng đều mạng ống gió và phương pháp xác định trở lực thủy lực hệ thống Chiller.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn hệ thống Water Cooled Chiller thay vì hệ thống VRV/VRF hay điều hòa cục bộ?
Do công trình là tòa nhà văn phòng có mặt bằng lớn ($88\text{ m} \times 80\text{ m}$), làm việc chủ yếu trong giờ hành chính dẫn đến hệ số hoạt động đồng thời rất cao, yêu cầu độ ổn định lâu dài và không gian điều hòa rộng. Hệ thống Chiller giải nhiệt nước đáp ứng tốt nhất về độ bền, hiệu suất và khả năng duy trì các thông số vi khí hậu ổn định cho không gian lớn.

2. Thông số thiết kế vi khí hậu trong nhà và ngoài trời được xác định như thế nào?

  • Trong nhà (mùa hè): Nhiệt độ $23 - 26^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi = 60 - 70%$, vận tốc gió $0,8 - 1,0\text{ m/s}$, tiêu chuẩn gió tươi $25\text{ m}^3/\text{h/người}$.
  • Ngoài trời (Cần Thơ, cấp II): Nhiệt độ $34,4^\circ\text{C}$, độ ẩm $\varphi = 58,7%$, entanpi $86,56\text{ kJ/kg}$, nhiệt độ nhiệt kế ướt $27,3^\circ\text{C}$.

3. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán mạng lưới ống gió và kết quả kiểm tra cột áp quạt AHU ra sao?
Tác giả sử dụng phương pháp ma sát đồng đều (Equal Friction) với độ giảm áp $0,8 - 1,0\text{ Pa/m}$ qua phần mềm Ductchecker. Tổng trở lực tính toán của tuyến ống AHU (gồm ống cấp $150,13\text{ Pa}$, ống hồi $139,41\text{ Pa}$, ống gió tươi $51,78\text{ Pa}$) là $341,32\text{ Pa}$, nằm trong phạm vi cột áp danh định $350\text{ Pa}$ của quạt AHU Daikin DDM-1823.

4. Tổ hợp máy làm lạnh nước (Chiller) và tháp giải nhiệt được lựa chọn gồm những model nào?
Hệ thống sử dụng 02 cụm Chiller Daikin model 30HXC-130 (công suất lạnh $450\text{ kW}$/máy) kèm 01 cụm model 30HXC-080 dự phòng ($287\text{ kW}$). Hệ thống giải nhiệt sử dụng 3 tháp Liang Chi gồm 01 tháp model LBC 175 ($25,1\text{ l/s}$) và 02 tháp model LBC 200 ($28,6\text{ l/s}$).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống điều hoà không khí" của tác giả Phạm Thanh Minh là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật và quy trình tính toán nhiệt lạnh hiện hành. Nghiên cứu đã giải quyết đầy đủ từ khâu cân bằng nhiệt ẩm, lựa chọn cấu hình máy lạnh trung tâm Chiller - AHU - FCU đến thiết kế chi tiết mạng lưới khí động học và thủy lực. Kết quả tính toán có độ chính xác cao, tính khả thi thực tiễn rõ ràng và là tài liệu tham khảo giá trị cho công tác đào tạo cũng như thiết kế cơ điện công trình.